Nabídka udržitelných zdrojů elektřiny je jednou z nejdůležitějších výzev tohoto století. Z této motivace vyplývají oblasti výzkumu v oblasti sběru energie, včetně termoelektriky1, fotovoltaic2 a termofotovoltaics3. Přestože nám chybí materiály a zařízení schopné sklízet energii v rozsahu Joule, pyroelektrické materiály, které mohou přeměnit elektrickou energii na periodické změny teploty, se považují za senzory4 a energetické sklízeče5,6,7. Zde jsme vyvinuli makroskopický kombajnu s tepelnou energií ve formě vícevrstvého kondenzátoru vyrobeného ze 42 gramů olověného skandiálního tantalátu a produkovali 11,2 J elektrické energie na termodynamický cyklus. Každý pyroelektrický modul může generovat hustotu elektrické energie do 4,43 J CM-3 na cyklus. Ukazujeme také, že dva takové moduly vážící 0,3 g jsou dostatečné pro nepřetržitě napájení autonomních sklízečů energie s vestavěnými mikrokontroléry a teplotními senzory. Nakonec ukážeme, že pro teplotní rozsah 10 K mohou tyto vícevrstvé kondenzátory dosáhnout 40% účinnosti Carnot. Tyto vlastnosti jsou způsobeny (1) změnou ferroelektrické fáze pro vysokou účinnost, (2) nízkým únikovým proudem, aby se zabránilo ztrátám a (3) vysoké napětí. Tyto makroskopické, škálovatelné a efektivní sklízeče pyroelektrického výkonu reimaginují výrobu termoelektrické energie.
Ve srovnání s gradientem prostorové teploty potřebné pro termoelektrické materiály vyžaduje sběr energie termoelektrických materiálů v průběhu času teplotní cyklování. To znamená termodynamický cyklus, který je nejlépe popsán diagramem entropie-teplotu (T). Obrázek 1A ukazuje typický ST graf nelineárního pyroelektrického (NLP) materiálu, který prokazuje ferroelektrickou paraelektrickou fázovou přechod řízený polem ve skandiálním olověném tantalátu (PST). Modré a zelené úseky cyklu na ST diagramu odpovídají převedené elektrické energii v Olsonově cyklu (dvě izotermální a dvě izopolové řezy). Zde uvažujeme dva cykly se stejnou změnou elektrického pole (pole zapnuto a vypnuto) a změnou teploty AT, i když s různými počátečními teplotami. Zelený cyklus není umístěn v oblasti fázového přechodu, a proto má mnohem menší plochu než modrý cyklus umístěný v oblasti fázového přechodu. V diagramu ST, čím větší je plocha, tím větší je shromážděná energie. Fázový přechod proto musí shromažďovat více energie. Potřeba velké oblasti cyklování v NLP je velmi podobná potřebě elektrotermálních aplikací9, 10, 11, 12, kde PST vícevrstvé kondenzátory (MLC) a Terpolymery na bázi PVDF nedávno prokázaly vynikající reverzní výkon. Stav výkonu chlazení v cyklu 13,14,15,16. Proto jsme identifikovali PST MLC, které jsou zajímavé pro sběr tepelné energie. Tyto vzorky byly plně popsány v metodách a charakterizovány v doplňkových poznámkách 1 (skenovací elektronová mikroskopie), 2 (rentgenová difrakce) a 3 (kalorimetrie).
A, náčrt entropie (S) -TEMperature (T) grafu s elektrickým polem zapnutým a vypnutým na materiály NLP ukazující fázové přechody. Dva cykly pro sběr energie jsou uvedeny ve dvou různých teplotních zónách. Modré a zelené cykly se vyskytují uvnitř i vně fázového přechodu a končí ve velmi různých oblastech povrchu. B, dva PST MLC unipolární kruhy, 1 mm tlusté, měřené mezi 0 a 155 kV CM-1 při 20 ° C a 90 ° C, respektive odpovídající Olsen cykly. Dopisy ABCD odkazují na různé stavy v Olsonově cyklu. AB: MLC byly nabity na 155 kV CM-1 při 20 ° C. BC: MLC byl udržován na 155 kV CM-1 a teplota byla zvýšena na 90 ° C. CD: MLC vypouští při 90 ° C. DA: MLC chlazená na 20 ° C v nulovém poli. Modrá oblast odpovídá vstupnímu výkonu potřebným k zahájení cyklu. Oranžová oblast je energie shromážděná v jednom cyklu. C, horní panel, napětí (černá) a proud (červená) versus čas, sledované během stejného Olsonova cyklu jako b. Obě vložky představují zesílení napětí a proudu v klíčových bodech v cyklu. Ve spodním panelu představují žluté a zelené křivky odpovídající křivky teploty a energie pro 1 mm silnou MLC. Energie se vypočítá z křivek proudu a napětí na horním panelu. Negativní energie odpovídá shromážděné energii. Kroky odpovídající hlavním písmenům ve čtyřech číslech jsou stejné jako v cyklu Olson. Cyklus AB'CD odpovídá stirlingovému cyklu (další poznámka 7).
kde E a D jsou elektrické pole a pole elektrického posunu. ND lze získat nepřímo z obvodu DE (obr. 1B) nebo přímo spuštěním termodynamického cyklu. Nejužitečnější metody popsal Olsen v jeho průkopnické práci na sběru pyroelektrické energie v 80. letech .17.
Na obr. 1B ukazuje dvě monopolární DE smyčky 1 mm silné vzorky PST-MLC sestavené při 20 ° C a 90 ° C v rozmezí 0 až 155 kV CM-1 (600 V). Tyto dva cykly lze použít k nepřímo výpočet energie shromážděné Olsonovým cyklem znázorněným na obrázku 1A. Ve skutečnosti se cyklus Olsen skládá ze dvou větví isofieldů (zde, nulového pole ve větvi DA a 155 kV CM-1 v BC větev) a dvou izotermálních větví (zde, 20 ° с a 20 ° с v AB větve). C V CD větev) energie shromážděná během cyklu odpovídá oranžovým a modrým oblastem (EDD integrál). Shromážděná energie ND je rozdíl mezi vstupní a výstupní energií, tj. Pouze oranžová oblast na obr. 1b. Tento konkrétní Olsonův cyklus poskytuje hustotu energie ND 1,78 J CM-3. Stirlingový cyklus je alternativou k Olsonově cyklu (doplňková poznámka 7). Protože je stádia konstantního náboje (otevřený obvod) snadněji dosaženo, hustota energie extrahovaná z obr. 1B (cyklus AB'CD) dosahuje 1,25 J CM-3. To je pouze 70% toho, co může Olson cyklus shromažďovat, ale jednoduché zařízení pro sklizeň to dělá.
Kromě toho jsme přímo změřili energii shromážděnou během Olsonova cyklu energií PST MLC pomocí fáze kontroly teploty Linkam a měřiče zdroje (metoda). Obrázek 1C nahoře a v příslušných vložkách ukazuje proud (červená) a napětí (černá) shromážděná na stejném 1 mm silném PST MLC jako pro de smyčku procházející stejným Olsonovým cyklem. Proud a napětí umožňují vypočítat shromážděnou energii a křivky jsou znázorněny na obr. 1C, spodní (zelená) a teplota (žlutá) v průběhu cyklu. Dopisy ABCD představují stejný Olsonův cyklus na obr. 1. nabíjení MLC se vyskytuje během nohy AB a je prováděno při nízkém proudu (200 uA), takže sourcemetr může správně ovládat nabíjení. Důsledkem tohoto konstantního počátečního proudu je to, že křivka napětí (černá křivka) není lineární kvůli nelineárnímu polnímu posunu D PST (obr. 1C, horní vložka). Na konci nabíjení je v MLC uloženo 30 MJ elektrické energie (bod B). MLC se poté zahřívá a je produkován negativní proud (a proto negativní proud), zatímco napětí zůstává na 600 V. Po 40 s, když teplota dosáhla náhorní plošiny 90 ° C, byl tento proud kompenzován, i když krokový vzorek vytvořený v obvodu je elektrickou energií 35 MJ během tohoto isofieldu (druhá vložka na obr. 1C). Napětí na MLC (větev CD) se poté sníží, což má za následek dalších 60 mj elektrických prací. Celková výstupní energie je 95 MJ. Shromážděná energie je rozdíl mezi vstupní a výstupní energií, která dává 95 - 30 = 65 MJ. To odpovídá hustotě energie 1,84 J CM-3, která je velmi blízko nd extrahovanému z DE kruhu. Reprodukovatelnost tohoto Olsonova cyklu byla rozsáhle testována (doplňková poznámka 4). Dalším zvyšováním napětí a teploty jsme dosáhli 4,43 J CM-3 pomocí Olsenových cyklů v 0,5 mm silné PST MLC v teplotním rozmezí 750 V (195 kV CM-1) a 175 ° C (doplňková poznámka 5). Toto je čtyřikrát větší než nejlepší výkon uváděný v literatuře pro přímé Olsonovy cykly a bylo získáno na tenkých filmech PB (Mg, NB) O3-PBTIO3 (PMN-PT) (1,06 J CM-3) 18 (CM. SUPPLEMBLEMENTARY TABULKA 1 pro více hodnot v literatuře). Toto výkon bylo dosaženo kvůli velmi nízkému únikovému proudu těchto MLC (<10–7 A při 750 V a 180 ° C, viz podrobnosti v doplňkové poznámce 6) - zásadní bod zmíněný Smithem et al.19 - v kontrastu s materiály použitými v dřívějších studiích17,20. Toto výkon bylo dosaženo kvůli velmi nízkému únikovému proudu těchto MLC (<10–7 A při 750 V a 180 ° C, viz podrobnosti v doplňkové poznámce 6) - zásadní bod zmíněný Smithem et al.19 - v kontrastu s materiály použitými v dřívějších studiích17,20. Эти характеристики были достигнrání ы б очень низкому току y у у и и и и и и и п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п. дополнительном примечани 6) - критический момент, упомнутый смитом и др. 19 - о отличие от Těchto charakteristik bylo dosaženo v důsledku velmi nízkého únikového proudu těchto MLC (<10–7 A při 750 V a 180 ° C, viz Doplňková poznámka 6 pro podrobnosti) - kritický bod uvedený Smithem et al. 19 - Na rozdíl od materiálů použitých v dřívějších studiích17,20.由于这些 MLC 的泄漏电流非常低（在 750 V 和 180 ° C 时 <10-7 A ， 请参见补充说明 6 中的详细信息）-Smith 等人 19 提到的关键点—— 相比之下 ， 已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料 17,20。由于 这些 Mlc 的 泄漏 非常 （在 在 在 750 V 和 180 ° C 时 <10-7 a ， 参见 补充 说明 6 中 详细 信息）））））） 等 等 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 关键 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下相比之下 ， 已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料 17,20。 Поскольку ток утечки этих mlc чень низкий (<10–7 а при 750 в и 180 ° C, с с п п п п д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д д. ключевой момент, упомнутый смитом и др. 19 - для сравнения, ыыли достигнráníы эи характеристики. Vzhledem k tomu, že únikový proud těchto MLC je velmi nízký (<10–7 A při 750 V a 180 ° C, podrobnosti viz doplňková poznámka 6) - klíčový bod zmíněný Smithem et al. 19 - Pro srovnání bylo těchto představení dosaženo.k materiálům použitým v dřívějších studiích 17,20.
Stejné podmínky (600 V, 20–90 ° C) aplikované na stirlingový cyklus (doplňková poznámka 7). Jak se očekávalo z výsledků DE cyklu, výtěžek byl 41,0 MJ. Jedním z nejvýraznějších rysů Stirlingových cyklů je jejich schopnost amplifikovat počáteční napětí pomocí termoelektrického efektu. Pozorovali jsme zisk napětí až 39 (od počátečního napětí 15 V do koncového napětí až 590 V viz doplňkový obrázek 7.2).
Dalším rozlišovacím rysem těchto MLC je to, že se jedná o makroskopické objekty dostatečně velké, aby shromažďovaly energii v rozsahu Joule. Proto jsme vytvořili prototypový Harvester (Harv1) s použitím 28 MLC PST 1 mm tlusté, po stejné konstrukci paralelní desky popsané Torello et al.14, v matici 7 × 4, jak je znázorněno na obr. Tepelnou dielektrickou tekutinu v potrubí, je přemístěna peristaltárním pumpem, kde je tepelná konstantní (tepelně přenášená dielektrická tekutina). Shromažďujte až 3,1 J pomocí Olsonova cyklu popsaným na obr. 2a, izotermální oblasti při 10 ° C a 125 ° C a izofieldových oblastech při 0 a 750 V (195 kV CM-1). To odpovídá hustotě energie 3,14 J CM-3. Pomocí tohoto kombinovaného, ​​měření byla provedena za různých podmínek (obr. 2B). Všimněte si, že 1,8 J byl získán v teplotním rozmezí 80 ° C a napětí 600 V (155 kV CM-1). To je v dobré shodě s dříve zmíněným 65 MJ pro 1 mm tlustý PST MLC za stejných podmínek (28 × 65 = 1820 MJ).
A, Experimentální nastavení sestaveného prototypu Harv1 založeného na 28 MLC PSTS 1 mm tlustých (4 řádky × 7 sloupců) běžící na Olsonových cyklech. Pro každý ze čtyř kroků cyklu jsou v prototypu poskytnuty teplota a napětí. Počítač řídí peristaltické čerpadlo, které cirkuluje dielektrickou tekutinu mezi chladnými a horkými nádržemi, dvěma ventily a zdrojem energie. Počítač také používá termočlánky ke sběru dat o napětí a proudu dodávaném prototypu a teplotě kombinujte z napájení. B, energie (barva) shromážděná naším prototypem 4 × 7 MLC versus teplotní rozsah (osa x) a napětí (osa y) v různých experimentech.
Větší verze kombajnu (Harv2) s tloušťkou 60 PST MLC 1 mm a 160 pST MLC 0,5 mm tloušťku (41,7 g aktivního pyroelektrického materiálu) dala 11,2 J (doplňková poznámka 8). V roce 1984, Olsen vyrobil energetický kombajn založený na 317 g cínové pb (Zr, Ti) O3 sloučeniny schopné generovat 6,23 J elektřiny při teplotě asi 150 ° C (odkaz 21). Pro tento kombinuje je to jediná další hodnota dostupná v řadě Joule. Dostalo to přes polovinu hodnoty, kterou jsme dosáhli, a téměř sedmkrát vyšší než kvalita. To znamená, že hustota energie Harv2 je 13krát vyšší.
Období cyklu Harv1 je 57 sekund. To produkovalo 54 MW výkonu se 4 řadami 7 sloupců 1 mm silné MLC sady. Abychom to udělali o krok dále, vytvořili jsme třetí kombinaci (Harv3) s PST MLC o tloušťce 0,5 mm a podobným nastavením jako Harv1 a Harv2 (doplňková poznámka 9). Měřili jsme dobu tepelizace 12,5 sekundy. To odpovídá doba cyklu 25 s (doplňkový obrázek 9). Shromážděná energie (47 MJ) poskytuje elektrickou energii 1,95 MW na MLC, což nám zase umožňuje představit si, že Harv2 produkuje 0,55 W (přibližně 1,95 mW × 280 pst MLC 0,5 mm tlustý). Kromě toho jsme simulovali přenos tepla pomocí simulace konečných prvků (COMSOL, doplňková poznámka 10 a doplňkové tabulky 2–4) odpovídající experimentům Harv1. Modelování konečných prvků umožnilo předpovídat hodnoty výkonu téměř o řádově vyšší (430 MW) pro stejný počet sloupců PST ztenčením MLC na 0,2 mm pomocí vody jako chladicí kapaliny a obnovením matrice na 7 řádků. × 4 sloupce (kromě toho došlo k 960 MW, když byla nádrž vedle kombinu, doplňkový obrázek 10b).
Pro demonstraci užitečnosti tohoto sběratele byl na samostatným demonstrátorovi aplikován stirlingový cyklus, který se skládal pouze z dvou 0,5 mm silného PST MLC jako sběratelů tepla, vysoce napěťového přepínače, přepínače s nízkým napětím s úložným kondenzátorem, DC/DC převodníkem, nízkoenergetickým mikroprocentérem, dvou termocountery a boostovacím přepínači 11). Obvod vyžaduje, aby byl úložný kondenzátor zpočátku nabitý při 9 V a poté běží autonomně, zatímco teplota obou MLC se pohybuje od -5 ° C do 85 ° C, zde v cyklech 160 s (několik cyklů je uvedeno v doplňkové poznámce 11). Je pozoruhodné, že dva MLC vážící pouze 0,3 g mohou autonomně ovládat tento velký systém. Dalším zajímavým rysem je, že převodník s nízkým napětí je schopen přeměnit 400 V na 10-15 V s účinností 79% (doplňková poznámka 11 a doplňkový obrázek 11.3).
Nakonec jsme vyhodnotili účinnost těchto MLC modulů při přeměně tepelné energie na elektrickou energii. Faktor kvality η účinnosti je definován jako poměr hustoty shromážděné elektrické energie k hustotě dodávaného tepla qin (doplňková poznámka 12):
Obrázky 3a, B ukazují účinnost η a proporcionální účinnost ηR olsenového cyklu, jako funkce teplotního rozsahu 0,5 mm silného PST MLC. Obě datové soubory jsou uvedeny pro elektrické pole 195 kV CM-1. Účinnost \ (\ this \) dosahuje 1,43%, což odpovídá 18% ηR. Avšak pro teplotní rozsah 10 K od 25 ° C do 35 ° C dosahuje ηR hodnoty až do 40% (modrá křivka na obr. 3b). Toto je dvojnásobná známá hodnota pro materiály NLP zaznamenané ve filmech PMN-PT (ηR = 19%) v teplotním rozsahu 10 K a 300 kV CM-1 (odkaz 18). Teplotní rozsahy pod 10 K nebyly brány v úvahu, protože tepelná hystereze PST MLC je mezi 5 a 8 K. Rozpoznávání pozitivního účinku fázových přechodů na účinnost je kritické. Ve skutečnosti jsou optimální hodnoty η a ηR téměř všechny získány při počáteční teplotě Ti = 25 ° C na obr. 3A, b. Je to způsobeno těsným fázovým přechodem, když není aplikováno žádné pole a v těchto MLC je v těchto MLC kolem 20 ° C kolem 20 ° C (doplňková poznámka 13).
a,b, the efficiency η and the proportional efficiency of the Olson cycle (a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot}} for the maximum electric by a field of 195 kV cm-1 and different initial temperatures Ti, }}\,\)(b) for MPC PST 0,5 mm, v závislosti na teplotním intervalu Δtspan.
Druhé pozorování má dva důležité důsledky: (1) jakékoli účinné cyklování musí začít při teplotách nad TC, aby došlo k fázovému přechodu indukovaného polem (z paraelektrického na ferroelektriku); (2) Tyto materiály jsou účinnější během doby běhu v blízkosti TC. Přestože je v našich experimentech uvedena efektivita ve velkém měřítku, omezený teplotní rozsah nám neumožňuje dosáhnout velké absolutní efektivity v důsledku limitu Carnot (\ (\ delta t/t \)). Vynikající účinnost prokázaná těmito PST MLC však ospravedlňuje Olsen, když zmiňuje, že „ideální regenerativní termoelektrický motor třídy 20 pracuje při teplotách mezi 50 ° C a 250 ° C může mít účinnost 30%“ 17. K dosažení těchto hodnot a testování konceptu by bylo užitečné používat dopované PST s různými TCS, jak studoval Shebanov a Borman. Ukázali, že TC v PST se může lišit od 3 ° C (doping Sb) do 33 ° C (TI Doping) 22. Proto předpokládáme, že pyroelektrické regenerátory nové generace založené na dopovaných PST MLC nebo jiných materiálech se silným přechodem fázového přechodu prvního řádu mohou konkurovat nejlepším sklizeňům výkonu.
V této studii jsme zkoumali MLC vyrobené z PST. Tato zařízení se skládají z řady PT a PST elektrod, přičemž několik kondenzátorů je připojeno paralelně. PST byl vybrán, protože je to vynikající materiál EC, a proto potenciálně vynikající materiál NLP. Vykazuje ferroelektrickou paraelektrickou fázi Ferroelektricky paraelektrického přechodu prvního řádu kolem 20 ° C, což ukazuje, že jeho entropické změny jsou podobné těm, které jsou znázorněny na obr. 1.. Podobné MLC byly plně popsány pro zařízení EC13,14. V této studii jsme použili 10,4 × 7,2 x 1 mm3 a 10,4 × 7,2 × 0,5 mm3 MLC. MLC s tloušťkou 1 mm a 0,5 mm byly vyrobeny z 19 a 9 vrstev PST s tloušťkou 38,6 um. V obou případech byla vnitřní vrstva PST umístěna mezi 2,05 um tlustými platinovými elektrodami. Konstrukce těchto MLC předpokládá, že 55% PST je aktivní, což odpovídá části mezi elektrodami (doplňková poznámka 1). Aktivní plocha elektrody byla 48,7 mm2 (doplňková tabulka 5). MLC PST byl připraven metodou pevné fáze a lití. Podrobnosti o procesu přípravy byly popsány v předchozím článku14. Jedním z rozdílů mezi PST MLC a předchozím článkem je pořadí B-míst, které výrazně ovlivňují výkon EC v PST. Pořadí B-velikostí PST MLC je 0,75 (doplňková poznámka 2) získaná slinem při 1400 ° C a následuje stovky hodin dlouhé žíhání při 1000 ° C. Další informace o PST MLC naleznete v doplňkových poznámkách 1-3 a doplňkové tabulce 5.
Hlavní koncept této studie je založen na Olsonově cyklu (obr. 1). Pro takový cyklus potřebujeme horkou a studenou nádrž a napájení schopné monitorovat a řídit napětí a proud v různých MLC modulech. Tyto přímé cykly používaly dvě různé konfigurace, jmenovitě (1) LinkAM moduly zahřívání a chlazení jednoho MLC připojeného k zdroji napájení Keithhley 2410 a (2) tři prototypy (Harv1, Harv2 a Harv3) paralelně se stejnou zdrojovou energií. Ve druhém případě byla pro výměnu tepla mezi dvěma nádržemi (horké a studené) použita dielektrická tekutina (silikonový olej s viskozitou 5 cp při 25 ° C, zakoupené od Sigma Aldrich). Tepelná nádrž se skládá ze skleněné nádoby naplněné dielektrickou tekutinou a umístěnou na horní části tepelné desky. Skladování chladu se skládá z vodní lázně s tekutými zkumavkami obsahující dielektrickou tekutinu ve velké plastové nádobě naplněné vodou a ledem. Na každém konci kombajnu byly umístěny dva třícestné ventily (zakoupené od Fluidics bio-chem), aby správně přepnuly ​​tekutinu z jednoho nádrže do druhého (obrázek 2A). Pro zajištění tepelné rovnováhy mezi balíčkem PST-MLC a chladicí kapalinou byla doba cyklu prodloužena, dokud vstupní a výstupní termočlánky (co nejblíže balíčku PST-MLC) nevykazovaly stejnou teplotu. Skript Python spravuje a synchronizuje všechny přístroje (metry zdroje, čerpadla, ventily a termočlánky), aby provedli správný Olsonův cyklus, tj. Smyčka chladicí kapaliny začne cyklovat přes zásobník PST poté, co je nabitý zdrojový měřič, takže se zahřívají na požadovaném napětí pro daný Olson Cycle.
Alternativně jsme potvrdili tato přímá měření shromážděné energie s nepřímými metodami. Tyto nepřímé metody jsou založeny na elektrickém posunutí (d) - elektrické pole (E) polní smyčky shromážděné při různých teplotách a výpočtem oblasti mezi dvěma DE smyčkami lze přesně odhadnout, kolik energie lze shromáždit, jak je znázorněno na obrázku. na obrázku 2 .1b. Tyto smyčky DE jsou také shromažďovány pomocí metrů zdroje Keithhley.
Dvacet osm 1 mm tlustých PST MLC bylo sestaveno ve 4-řadové struktuře paralelní destičky podle návrhu popsaného v referenci. 14. Mezera tekutiny mezi řadami PST-MLC je 0,75 mm. Toho je dosaženo přidáním proužků oboustranné pásky jako rozpěr kapaliny kolem okrajů PST MLC. PST MLC je elektricky spojena paralelně se stříbrným epoxidovým mostem ve styku s elektrodovým vodičem. Poté byly dráty přilepeny stříbrnou epoxidovou pryskyřicí na každou stranu terminálů elektrod pro připojení k napájení. Nakonec vložte celou strukturu do polyolefinové hadice. Ten je přilepen k tekuté trubici, aby bylo zajištěno správné utěsnění. Nakonec byly do každého konce struktury PST-MLC zabudovány termočlánky typu K-typu 0,25 mm, aby se monitorovaly teploty vstupní a výstupní kapaliny. K tomu musí být hadice nejprve perforována. Po instalaci termočlánku naneste stejné lepidlo jako předtím mezi judicí termočlánkou a drátem k obnovení těsnění.
Bylo postaveno osm samostatných prototypů, z nichž čtyři měly 40 0,5 mm silné MLC PST distribuované jako paralelní destičky s 5 sloupci a 8 řadami a zbývající čtyři měly každý 15 1 mm tlustý MLC PST. Ve struktuře paralelních destiček ve 3 sloupci × 5 řady. Celkový počet použitých PST MLC byl 220 (160 0,5 mm tloušťka a 60 pST MLC 1 mm tlustý). Říkáme tyto dvě podjednotky Harv2_160 a Harv2_60. Kapalná mezera v prototypu Harv2_160 se skládá ze dvou oboustranných pásek o tloušťce 0,25 mm s tloušťkou drátu 0,25 mm. Pro prototyp Harv2_60 jsme opakovali stejný postup, ale pomocí 0,38 mm silného drátu. Pro symetrii mají Harv2_160 a Harv2_60 své vlastní kapalinové obvody, čerpadla, ventily a studenou stranu (doplňková poznámka 8). Dvě jednotky Harv2 sdílejí tepelný nádrž, kontejner o 3 litru (30 cm x 20 cm x 5 cm) na dvou horkých destičkách s rotujícími magnety. Všech osm jednotlivých prototypů je paralelně elektricky spojeno. Podjednotky Harv2_160 a Harv2_60 pracují současně v cyklu Olson, což má za následek sklizeň energie 11,2 J.
Umístěte 0,5 mm tlustý PST MLC do hadice polyolefinu s oboustrannou páskou a drátem na obou stranách, abyste vytvořili prostor pro tok tekutiny. Díky své malé velikosti byl prototyp umístěn vedle horkého nebo studeného ventilu nádrže, což minimalizovalo doby cyklu.
V PST MLC je aplikováno konstantní elektrické pole použitím konstantního napětí na topnou větvi. Výsledkem je, že se generuje negativní tepelný proud a je uložena energie. Po zahřátí PST MLC je pole odstraněno (V = 0) a energie uložená v něm se vrátí zpět ke zdrojovému čítači, což odpovídá dalšímu příspěvku shromážděné energie. Nakonec se s použitím napětí V = 0 jsou MLC PST ochlazeny na jejich počáteční teplotu, aby cyklus mohl začít znovu. V této fázi není energie shromažďována. Spustili jsme cyklus OLSEN pomocí sourcemeru Keithhley 2410, nabíjeli jsme PST MLC ze zdroje napětí a nastavili proud shodu na příslušnou hodnotu tak, aby během fáze nabíjení bylo shromážděno dostatek bodů pro spolehlivé výpočty energie.
Ve stirlingových cyklech byly PST MLC nabity v režimu zdroje napětí při počáteční hodnotě elektrického pole (počáteční napětí VI> 0), požadovaný proud shody, takže krok nabíjení trvá asi 1 s (a dostatek bodů se shromažďuje pro spolehlivý výpočet energie) a studenou teplotu. Ve stirlingových cyklech byly PST MLC nabity v režimu zdroje napětí při počáteční hodnotě elektrického pole (počáteční napětí VI> 0), požadovaný proud shody, takže krok nabíjení trvá asi 1 s (a dostatek bodů se shromažďuje pro spolehlivý výpočet energie) a studenou teplotu. ´ циклах стирлинга pst Mlc заряжжиме иvot э už н э už э'ч эо' э už по' э už эо' э'т пл' э už э э už э э už к э э už. (начальное напряжение VI> 0), желаемом податливом токе, т т т и и и и с (и и (и и и (и и (и и и с ( достаточное количествráž V cyklech Stirling PST MLC byly nabité v režimu zdroje napětí v počáteční hodnotě elektrického pole (počáteční napětí VI> 0), požadovaný výnosový proud, takže fáze nabíjení trvá asi 1 s (a dostatečný počet bodů se shromažďuje pro spolehlivý výpočet energie) a chladnou teplotu.在斯特林循环中 ， PST MLC 在电压源模式下以初始电场值（初始电压 VI> 0） 充电 ， 所需的顺应电流使得充电步骤大约需要 1 秒（并且收集了足够的点以可靠地计算能量） 和低温。 V hlavním cyklu je PST MLC nabitý v počáteční hodnotě elektrického pole (počáteční napětí VI> 0) v režimu zdroje napětí, takže požadovaný proud souladu trvá asi 1 sekundu za krok nabíjení (a shromáždili jsme dostatek bodů, abychom spolehlivě vypočítali (energie) a nízkou teplotu. Викле стирлинга pst MLC зарж з рзен п с э з л п э э э п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п. напряжение VI> 0), требуемый ток по т т ээ э э н д д д д доосчч доос доес доес д ďостаечч достаечнvět доостаечнvět достааечнvět дос с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с с количество точек, чтобы надежно расчитать энергию) и низкие температуры. V cyklu Stirlingu je PST MLC nabitý v režimu zdroje napětí s počáteční hodnotou elektrického pole (počáteční napětí VI> 0), požadovaný proud shody je takový, že fáze nabíjení trvá asi 1 s (a dostatečný počet bodů se shromažďuje pro spolehlivou výpočet energie) a nízkou teplotu.Než se PST MLC zahřeje, otevřete obvod použitím odpovídajícího proudu I = 0 mA (minimální odpovídající proud, který náš zdroj měření zvládne, je 10 NA). V důsledku toho zůstává náboj v PST MJK a napětí se zvyšuje, jak se vzorek zahřívá. V rameni BC není shromažďována žádná energie, protože i = 0 mA. Po dosažení vysoké teploty se napětí v MLT FT zvyšuje (v některých případech více než 30krát viz další obr. 7.2), MLK FT je vypouštěna (V = 0) a elektrická energie je v nich uložena za to samé, protože se jedná o počáteční náboj. Stejná současná korespondence je vrácena do měřiče. V důsledku zisku napětí je uložená energie při vysoké teplotě vyšší než to, co bylo poskytnuto na začátku cyklu. V důsledku toho se energie získá přeměnou tepla na elektřinu.
Pro sledování napětí a proudu aplikovaného na PST MLC jsme použili sourcemetr Keithhley 2410. Odpovídající energie se počítá integrací produktu napětí a proudu, který si přečtou Keithleyho zdrojový měřič, \ (e = {\ int} _ {0}^{\ tau} {i} _ ({\ rm {mea))} \ vlevo) období. Na naší energetické křivce pozitivní hodnoty energie znamenají energii, kterou musíme dát MLC PST, a záporné hodnoty znamenají energii, kterou z nich extrahujeme, a proto obdrženou energii. Relativní výkon pro daný cyklus sběru je určen rozdělením shromážděné energie do periody τ celého cyklu.
Všechna data jsou uvedena v hlavním textu nebo v dalších informacích. Dopisy a žádosti o materiály by měly být zaměřeny na zdroj údajů AT nebo ED uvedených v tomto článku.
Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC Přehled vývoje a aplikací termoelektrických mikrogenerátorů pro sběr energie. Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC Přehled vývoje a aplikací termoelektrických mikrogenerátorů pro sběr energie.Ando Junior, Ohio, Maran, Alo a Henao, NC Přehled vývoje a aplikace termoelektrických mikrogenerátorů pro sběr energie. Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NC 回顾用于能量收集的热电微型发电机的开发和应用。 Ando Junior, OH, Maran, Alo & Henao, NCAndo Junior, Ohio, Maran, Alo a Henao, NC zvažují vývoj a aplikaci termoelektrických mikrogenerátorů pro sběr energie.resumé. podpora. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & SINKE, WC fotovoltaické materiály: Současné účinnosti a budoucí výzvy. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & SINKE, WC fotovoltaické materiály: Současné účinnosti a budoucí výzvy.Polman, A., Knight, M., Garnett, Ek, Ehrler, B. a Sinke, VK fotovoltaické materiály: současný výkon a budoucí výzvy. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC 光伏材料 ： 目前的效率和未来的挑战。 Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Solar Materials: Současná účinnost a budoucí výzvy.Polman, A., Knight, M., Garnett, Ek, Ehrler, B. a Sinke, VK fotovoltaické materiály: současný výkon a budoucí výzvy.Science 352, AAD4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Spojuje pyro-bojovýlektrický účinek pro samoobslužný simultánní snímání teploty a tlaku. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Spojený pyro-bojovýlektrický účinek pro samoobslužný současný snímání teploty a tlaku.Song K., Zhao R., Wang ZL a Yan Yu. Kombinovaný pyropieleelektrický účinek pro autonomní simultánní měření teploty a tlaku. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. 用于自供电同时温度和压力传感的联合热压电效应。 Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. Pro sebepokojení současně s teplotou a tlakem.Song K., Zhao R., Wang ZL a Yan Yu. Kombinovaný termopieleelektrický účinek pro autonomní simultánní měření teploty a tlaku.Vpřed. Alma Mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Sběr energie na základě ericsson pyroelektrických cyklů v relaxorové ferroelektrické keramice. Sebald, G., Pruvost, S. & Guyomar, D. Sběr energie na základě ericsson pyroelektrických cyklů v relaxorové ferroelektrické keramice.Sebald G., Prouvost S. a Guyomar D. Sběr energie na základě pyroelektrických cyklů Ericsson ve Ferroelektrické keramice relaxoru.Sebald G., Prouvost S. a Guyomar D. Sběr energie v relaxorové ferroelektrické keramice založené na Ericsson Pyroelectric Cycling. Smart Alma Mater. struktura. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW elektrokalorické a pyroelektrické materiály nové generace pro interneconverzi v pevném stavu. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW elektrokalorické a pyroelektrické materiály nové generace pro interneconverzi v pevném stavu. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW электрокалорические и д д už д už д už д už д už д už д už д už д už д už д už. ззаимного преобразования Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Next Generation Electrocaloric a Pyroelektrické materiály pro interkonverzi elektrotermální energie v pevném stavu. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW 用于固态电热能相互转换的下一代电热和热释电材料。 Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW электрокалорические и д д už д už д už д už д už д už д už д už д už д už д už. ззаимного преобразования Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-McKinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Next Generation Electrocaloric a Pyroelektrické materiály pro interkonverzi elektrotermální energie v pevném stavu.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standardní a postava pro kvantifikaci výkonu pyroelektrických nanogenerátorů. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. Standardní a postava pro kvantifikaci výkonu pyroelektrických nanogenerátorů.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL a Yang, Yu. Standardní a kvalitní skóre pro kvantifikaci výkonu pyroelektrických nanogenerátorů. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. 用于量化热释电纳米发电机性能的标准和品质因数。 Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL a Yang, Yu. Kritéria a měření výkonnosti pro kvantifikaci výkonu pyroelektrického nanogenerátoru.Nano Energy 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Elektrokalorické chladicí cykly v olověném skandiálním tantalátu se skutečnou regenerací prostřednictvím variace pole. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Elektrokalorické chladicí cykly v olověném skandiálním tantalátu se skutečnou regenerací prostřednictvím variace pole.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. a Mathur, ND Elektrokalorické chladicí cykly v olovo-skandiálním tantalátu se skutečnou regenerací pomocí polní modifikace. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND 钽酸钪铅的电热冷却循环 ， 通过场变化实现真正的再生。 Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND. Tantalum 酸钪钪钪钪钪钪钪钪电求的电池水水水水水气水在电影在在线电影。Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. a Mathur, a elektrotermální chladicí cyklus tantalátu skandiálního vedení pro skutečnou regeneraci prostřednictvím obrácení pole.Fyzika Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND kalorické materiály poblíž ferroických fázových přechodů. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND kalorické materiály poblíž ferroických fázových přechodů.Moya, X., Kar-Narayan, S. a Mathur, ND kalorické materiály poblíž ferroidních fázových přechodů. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND 铁质相变附近的热量材料。 Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND tepelné materiály poblíž metalurgie železných.Moya, X., Kar-Narayan, S. a Mathur, ND tepelné materiály poblíž přechodů železných fází.Nat. Alma Mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. & Mathur, nd kalorické materiály pro chlazení a vytápění. Moya, X. & Mathur, nd kalorické materiály pro chlazení a vytápění.Moya, X. a Mathur, ND tepelné materiály pro chlazení a zahřívání. Moya, X. & Mathur, nd 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. & Mathur, nd tepelné materiály pro chlazení a vytápění.Moya X. a Mathur ND tepelné materiály pro chlazení a zahřívání.Science 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Elektrokalorické chladiče: recenze. Torelló, A. & Defay, E. Elektrokalorické chladiče: recenze.Torello, A. a defray, E. Elektrokalorické chladiče: recenze. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器 ： 评论。 Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器 ： 评论。Torello, A. a defray, E. Elektrotermální chladiče: recenze.Moderní. elektronický. Alma Mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. a kol. Obrovská energetická účinnost elektrokalorického materiálu ve vysoce uspořádaném skandium-skandiálním vedením. Národní komunikovat. 12, 3298 (2021).
Nair, B. a kol. Elektrotermální účinek vícevrstvých kondenzátorů oxidu je velký v širokém teplotním rozsahu. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. a kol. Obrovský teplotní rozsah v elektrotermálních regenerátorech. Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. a kol. Vysoce výkonný systém elektrotermálního chlazení v pevném stavu. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. a kol. Elektrotermální chladicí zařízení kaskády pro velký nárůst teploty. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB & Brown, DD s vysokou účinnou přeměnou tepla na pyroelektrická měření související s elektrickou energií. Olsen, RB & Brown, DD s vysokou účinností přímé přeměny tepla na pyroelektrická měření související s elektrickou energií.Olsen, RB a Brown, DD vysoce účinná přímá přeměna tepla na elektrickou energii spojenou s pyroelektrickými měřeními. Olsen, RB & Brown, DD 高效直接将热量转换为电能相关的热释电测量。 Olsen, RB & Brown, DDOlsen, RB a Brown, DD efektivní přímá přeměna tepla na elektřinu spojenou s pyroelektrickými měřeními.Ferroelectrics 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. a kol. Energie a hustota energie v tenkých relaxorových ferroelektrických filmech. National Alma Mater. https://doi.org/10.1038/S41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN & Hanrahan, BM kaskádové pyroelektrické konverze: Optimalizace přechodu ferroelektrické fáze a elektrické ztráty. Smith, AN & Hanrahan, BM kaskádové pyroelektrické konverze: Optimalizace přechodu ferroelektrické fáze a elektrické ztráty.Smith, AN a Hanrahan, BM kaskádová pyroelektrická konverze: ferroelektrická fázová přechod a optimalizace elektrických ztrát. Smith, An & Hanrahan, BM 级联热释电转换 ： 优化铁电相变和电损耗。 Smith, An & Hanrahan, BMSmith, AN a Hanrahan, BM kaskádové pyroelektrické konverze: optimalizace ferroelektrických fázových přechodů a elektrických ztrát.J. Aplikace. fyzika. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR Použití ferroelektrických materiálů k přeměně tepelné energie na elektřinu. proces. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Kaskádová převaděč pyroelektrické energie. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. Kaskádová převaděč pyroelektrické energie.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM a Dullea, J. Cascade Pyroelectric Power Converter. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. 级联热释电能量转换器。 Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. 级联热释电能量转换器。Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM a Dullea, J. Kaskádové pyroelektrické převaděče výkonu.Ferroelectrics 59, 205–219 (1984).
Shebanov, L. & Borman, K. Na solidní roztoky olověné tantalátu s vysokým elektrocalorickým účinkem. Shebanov, L. & Borman, K. Na solidní roztoky olověné tantalátu s vysokým elektrocalorickým účinkem.Shebanov L. a Borman K. na pevném roztoku tantalátu olova skandiálního s vysokým elektrocalorickým účinkem. Shebanov, L. & Borman, K. 关于具有高电热效应的钪铅钪固溶体。 Shebanov, L. & Borman, K.Shebanov L. a Borman K. na solidní roztoky skandiálního skandia s vysokým elektrokalorickým účinkem.Ferroelectrics 127, 143–148 (1992).
Děkujeme N. Furusawa, Y. Inoue a K. Honda za jejich pomoc při vytváření MLC. Pl, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB a ED Díky Lucemburské National Research Foundation (FNR) za podporu této práce prostřednictvím Camelheat C17/MS/11703691/DEN Bridges2021/MS/16282302/CECOHA/DEFAY.
Oddělení výzkumu a technologií oddělení, Lucemburský technologický institut (List), Belvoir, Lucembursko